l evoluzione dell elettronica

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1 1904 tubo a vuoto 1968 circuito integrato l evoluzione dell elettronica 1980 integrati VLSI 1947 transistor oggi integrati ULSI 1971 microprocessore

2 diodi

3 transistor

4 tecnologie costruttive

5 grafici, tabelle, schemi applicativi

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7 semiconduttori

8 Che cosa sono i semiconduttori? sono materiali di tipo semi-isolante nei quali la struttura atomica e i legami chimici li rendono particolari dal punto di vista termico, magnetico, ottico, meccanico, ecc. quarzo SiO 2 Silicio

9 Semiconduttori: Silicio (Si) Germanio (Ge) Arseniuro di Gallio (GaAs) e altri (GaAlAs, GaP, GaSb, InP, InSb, SiC, GaN, ecc.) questi materiali sono perfetti isolanti solo a basse temperature, solo ad elevata purezza, se monocristallini, al buio e in assenza di radiazione nelle altre condizioni divengono in parte conduttori, soprattutto ad alta temperatura e se contengono elementi estranei ISOLANTI SEMICONDUTTORI CONDUTTORI

10 struttura elettronica del Silicio Si 14 = 1s 2 + 2s 2 + 2p 6 + 3s 2 + 3p 2 3p 6 Ne 10 = Neon elettroni di valenza

11 rappresentazione nel diagramma dell energia energia di legame energia potenziale energia potenziale

12 BANDA DI CONDUZIONE (vuota) Energy gap BANDA DI VALENZA (piena) allo zero assoluto (e in assenza di altre forme di energia), tutti gli elettroni più esterni sono impegnati nel legame covalente, e la banda di conduzione è vuota il il semiconduttore è un isolante

13 elettrone energia termica lacuna a temperatura ambiente (o in presenza di altre forme di energia), vengono rotti alcuni legami covalenti, e alcuni elettroni passano in banda di conduzione il il semiconduttore non è più un isolante

14 a temperatura ambiente il il semiconduttore è in in parte conduttore

15 il numero n i di legami covalenti rotti dall agitazione termica è dato da: n i = A T 3/2 e -Eg/2KT essa indica all incirca il raddoppio ogni 10 C n i = concentrazione difetti A = costante del semic. T = temperatura assoluta Eg = energy gap K = costante di Boltzman questa formula fornisce quindi il numero delle coppie elettrone-lacuna libere presenti nel semiconduttore, che possono quindi dar luogo alla conduzione a causa del diverso Energy-gap dei vari semiconduttori, a 25 C si ha che: semic. Eg (ev) ni (cm-3) Ge Si anche la la conducibilità varia di di conseguenza GaAs conducibilità intrinseca = n i i e (µ (µ e e + µ p p ))

16 a bassa temperatura vi vi sono poche coppie elettrone-lacuna libere, e il il semiconduttore è un buon isolante a -100 C il il Silicio presenta una resistività simile a quella del del vetro

17 +200 C -55 C gamma di di temperatura di di utilizzo all aumentare della temperatura le coppie elettrone-lacuna aumentano, e il semiconduttore cessa di essere un buon isolante

18 ad alta temperatura il il notevole aumento delle coppie elettrone-lacuna fa sì sì che il il semiconduttore diventi un conduttore a 400 C il il Silicio presenta una conducibilità simile a quella del del carbone

19 La variazione della conducibilità con la temperatura è enorme: il Silicio passa da un n i di 10 7 a -55 C a a C, il che significa un aumento di 10 milioni di volte!! 25 C

20 al fine di limitare questa enorme variazione della conducibilità con la temperatura, si introducono nel semiconduttore delle impurezze, (piccole tracce di elementi chimici) che vengono definite materiali droganti La conducibilità passa così da intrinseca (Silicio puro) sigma = n i i e µ (dove n i = i )) ma ma raddoppia ogni C C a estrinseca controllata solo dal tenore di droganti sigma = N D e µ dove N D = atomi/cm 33 e indipendente dalla temperatura si noti che il tenore delle impurezze introdotte è bassissimo: si va infatti da 1 atomo ogni 10 8 fino ad un massimo dello 0.1%

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22 variazione della conducibilità a seconda delle impurezze

23 Silicio impurezze droganti di tipo N: Fosforo 5+ P Arsenico 5+ As Antimonio 5+ Sb impurezze droganti di tipo P: Boro 3+ B Alluminio 3+ Al Nichelio 2+ Ni Rame 2+ Cu Oro 1+ Au inserendo queste sostanze la conducibilità del semiconduttore aumenta da 100 mila volte fino a 100 miliardi di volte!

24 Silicio in presenza di atomi estranei (impurezze sostituzionali) Boro 3+ lacuna Fosforo 5+ elettrone drogante di tipo P drogante di tipo N

25 Silicio con atomi/cm 3 di Boro Silicio con atomi/cm 3 di Fosforo semiconduttore di tipo P il tenore di lacune (portatori maggioritari) è controllato dal drogaggio, mentre quello degli elettroni (portatori minoritari) è funzione della temperatura semiconduttore di tipo N il il tenore di di elettroni (portatori maggioritari) è controllato dal drogaggio, mentre quello delle lacune (portatori minoritari) è funzione della temperatura conducibilità estrinseca = N 10 D e µ = e µ conducibilità intrinseca = n i 10 i e µ = e µ

26 giunzione P-N Silicio di tipo P Silicio di tipo N zona di inversione, di carica spaziale, di svuotamento o depletion layer (la giunzione P-N deve essere realizzata in un unico monocristallo)

27 Silicio di tipo P Silicio di tipo N BANDA DI CONDUZIONE BANDA DI CONDUZIONE livelli accettori livelli donatori BANDA DI VALENZA BANDA DI VALENZA i droganti di tipo P inducono la formazione di livelli accettori poco al di sopra della banda di valenza i droganti di tipo N inducono la formazione di livelli donatori poco al di sotto della banda di conduzione

28 quando materiale P ed N vengono a contatto, si equilibrano i livelli donatori e accettori, il che provoca lo spostamento delle posizioni energetiche delle bande di valenza e di conduzione L energia E da superare per avere la conduzione è proporzionale a Eg

29 polarizzazione inversa polarizzazione diretta

30 progressività dei parametri legati a Eg parametro Ge Si GaAs unità Energy gap Eg a 300 K 0,7 1,1 1,4 ev concentrazione n i a 300 K 2E13 1E10 1E7 - - mobilità elettronica µe cm 2 /V sec mobilità delle lacune µ h cm 2 /V sec resistività intrinseca a 300 K 47 2E5 1E7 ohm cm densità atomica 4E22 5E22 2E22 cm -3 rigidità dielettrica E max V/µm punto di fusione T f C conducibilità termica K th 0,6 1,5 0,5 W/cm C peso specifico 5,3 2,3 5,3 g/cm 3 incremento di Eg